熱傳遞原理與應(yīng)用課件復(fù)習(xí)本課件將回顧熱傳遞的基本概念、傳熱方式、熱設(shè)計(jì)與優(yōu)化、工程應(yīng)用實(shí)例以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。熱量傳遞的基本概念熱量能量的一種形式，表現(xiàn)為物體內(nèi)部微觀粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能的總和，熱量傳遞是能量從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移的過程。溫度表示物體冷熱程度的物理量，是物體內(nèi)部微觀粒子平均動(dòng)能的反映，溫度越高，粒子運(yùn)動(dòng)越劇烈。導(dǎo)熱和絕熱材料導(dǎo)熱材料指熱量能夠快速傳遞的材料，導(dǎo)熱系數(shù)較高，如金屬、石材、陶瓷等。導(dǎo)熱材料常用于需要快速傳熱或散熱的場(chǎng)合，例如散熱器、熱交換器等。絕熱材料指熱量難以傳遞的材料，導(dǎo)熱系數(shù)較低，如泡沫塑料、玻璃纖維、巖棉等。絕熱材料常用于需要隔熱或保溫的場(chǎng)合，例如房屋外墻、管道保溫等。導(dǎo)熱系數(shù)與熱流密度的關(guān)系導(dǎo)熱系數(shù)表示材料導(dǎo)熱性能的物理量，定義為單位時(shí)間內(nèi)單位面積上溫度梯度為1時(shí)的熱流量。導(dǎo)熱系數(shù)越高，材料導(dǎo)熱性能越好。熱流密度表示單位時(shí)間內(nèi)流過單位面積的熱量，與導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度成正比。熱流密度越大，表明熱量傳遞越快。熱傳導(dǎo)的基本定律1傅里葉定律：熱流密度與溫度梯度成正比，比例系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)，即q=-k?T。該定律適用于穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。2熱傳導(dǎo)方程：描述非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程的偏微分方程，考慮了熱量在物體內(nèi)部的分布和時(shí)間變化，即ρCp?T/?t=?·(k?T)+Q。3邊界條件：描述熱傳導(dǎo)過程的邊界條件，用于確定熱傳導(dǎo)方程的解，常見的邊界條件有溫度邊界條件、熱流邊界條件、對(duì)流邊界條件等。一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)定義熱量傳遞方向只有一個(gè)，且溫度不隨時(shí)間變化，例如平面壁的熱傳導(dǎo)，圓柱體的熱傳導(dǎo)等。解析解對(duì)于一些簡(jiǎn)單的幾何形狀和邊界條件，可以利用傅里葉定律和熱傳導(dǎo)方程得到解析解，例如平面壁的熱傳導(dǎo)解。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)數(shù)值解對(duì)于形狀復(fù)雜、邊界條件復(fù)雜或非線性熱傳導(dǎo)問題，通常需要采用數(shù)值解法，例如有限元法、有限差分法等。軟件工具目前有很多專業(yè)的熱傳導(dǎo)分析軟件，例如ANSYS、COMSOL等，可以方便地模擬各種熱傳導(dǎo)問題。非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)定義熱量傳遞方向只有一個(gè)，且溫度隨時(shí)間變化，例如加熱或冷卻物體時(shí)，物體內(nèi)部的溫度隨時(shí)間變化。求解方法非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的求解方法比穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)更加復(fù)雜，通常需要采用數(shù)值解法，例如有限元法、有限差分法等。熱傳導(dǎo)的數(shù)值計(jì)算方法1有限元法將物體分割成有限個(gè)單元，每個(gè)單元上的溫度用有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上的溫度來(lái)表示，然后建立單元方程，并將單元方程組裝成全局方程，最后求解全局方程得到物體內(nèi)部的溫度分布。2有限差分法將連續(xù)的熱傳導(dǎo)方程用離散的差分方程來(lái)表示，然后建立差分方程組，最后求解差分方程組得到物體內(nèi)部的溫度分布。3邊界元法將物體表面分割成有限個(gè)邊界元，然后建立邊界元方程，最后求解邊界元方程得到物體內(nèi)部的溫度分布。對(duì)流熱傳遞的基本概念定義流體與固體表面之間由于流體運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞，對(duì)流熱傳遞的強(qiáng)弱與流體性質(zhì)、流體速度、表面溫度差等因素有關(guān)。分類對(duì)流熱傳遞可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流是指由于流體自身密度變化引起的流動(dòng)，強(qiáng)制對(duì)流是指由于外界因素，例如風(fēng)機(jī)、泵等引起的流動(dòng)。對(duì)流換熱系數(shù)與影響因素對(duì)流換熱系數(shù)表示單位時(shí)間內(nèi)單位面積上溫度差為1時(shí)的熱流量，反映了流體與固體表面之間熱量傳遞的快慢。對(duì)流換熱系數(shù)越高，表明熱量傳遞越快。影響因素影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素主要有流體的性質(zhì)、流體的速度、表面溫度差、表面形狀等。自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流是指由于流體自身密度變化引起的流動(dòng)，例如暖氣片附近的空氣流動(dòng)，熱水器中的水流動(dòng)等。自然對(duì)流換熱系數(shù)相對(duì)較低。強(qiáng)制對(duì)流是指由于外界因素，例如風(fēng)機(jī)、泵等引起的流動(dòng)，例如空調(diào)制冷，風(fēng)扇散熱等。強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)相對(duì)較高。相變過程的熱傳遞沸騰指液體表面或內(nèi)部發(fā)生汽化的現(xiàn)象，沸騰過程伴隨著大量的熱量傳遞，例如水沸騰時(shí)吸收大量的熱量。凝結(jié)指氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的現(xiàn)象，凝結(jié)過程釋放大量的熱量，例如蒸汽凝結(jié)成水時(shí)釋放大量的熱量。輻射熱傳導(dǎo)的基本定律斯特藩-玻爾茲曼定律描述黑體輻射能量與溫度的關(guān)系，即黑體輻射功率與絕對(duì)溫度的四次方成正比，即P=σAT4，其中σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)。維恩位移定律描述黑體輻射能量峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系，即黑體輻射能量峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度成反比，即λmaxT=b，其中b為維恩位移常數(shù)。黑體、灰體與實(shí)際輻射體黑體指能夠完全吸收所有入射輻射的物體，同時(shí)也是最強(qiáng)的輻射體，黑體輻射功率最大。灰體指能夠部分吸收所有入射輻射的物體，灰體的輻射功率介于黑體和白體之間。實(shí)際輻射體實(shí)際物體都不是理想的黑體或灰體，而是介于兩者之間，其輻射特性取決于物體的表面性質(zhì)和溫度。表面熱輻射的計(jì)算輻射熱交換指兩個(gè)表面之間由于輻射而產(chǎn)生的熱量傳遞，輻射熱交換的強(qiáng)弱與兩個(gè)表面的輻射特性、溫度差和距離有關(guān)。輻射系數(shù)表示物體輻射能力的物理量，輻射系數(shù)越高，物體輻射能力越強(qiáng)。實(shí)際物體的輻射系數(shù)介于0到1之間。輻射與對(duì)流的耦合傳熱定義指輻射熱傳遞和對(duì)流熱傳遞同時(shí)發(fā)生，例如太陽(yáng)照射到地面，地面同時(shí)進(jìn)行輻射和對(duì)流傳熱。計(jì)算方法耦合傳熱的計(jì)算方法需要考慮輻射和對(duì)流的相互影響，可以使用數(shù)值解法或解析解法進(jìn)行計(jì)算。工程應(yīng)用實(shí)例：房屋供暖熱傳遞原理房屋供暖系統(tǒng)利用熱量傳遞原理將熱量傳遞給房間，常用的供暖方式有暖氣片供暖、地暖供暖、空調(diào)供暖等。優(yōu)化設(shè)計(jì)房屋供暖系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮房屋的保溫性能、供暖設(shè)備的選型、管道布局等因素，以提高供暖效率，降低能耗。工程應(yīng)用實(shí)例：電子設(shè)備散熱熱管理電子設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要進(jìn)行熱管理，以保證設(shè)備正常工作和延長(zhǎng)使用壽命。常用的散熱方式有風(fēng)冷散熱、水冷散熱等。優(yōu)化設(shè)計(jì)電子設(shè)備散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮設(shè)備的發(fā)熱功率、散熱器結(jié)構(gòu)、風(fēng)道設(shè)計(jì)等因素，以提高散熱效率。工程應(yīng)用實(shí)例：工業(yè)窯爐熱量傳遞工業(yè)窯爐利用熱量傳遞原理將熱量傳遞給爐內(nèi)物料，常用的加熱方式有火焰加熱、電加熱、輻射加熱等。優(yōu)化設(shè)計(jì)工業(yè)窯爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮爐體結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、熱量傳遞效率等因素，以提高加熱效率，降低能耗。工程應(yīng)用實(shí)例：太陽(yáng)能利用太陽(yáng)能熱利用太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)利用太陽(yáng)能進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換，常用的太陽(yáng)能熱利用方式有太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能發(fā)電等。熱管理太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的熱管理需要考慮太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、熱量收集效率、儲(chǔ)熱系統(tǒng)等因素，以提高能量利用效率。熱傳遞測(cè)量的基本方法熱電偶法利用兩種不同金屬導(dǎo)體接觸點(diǎn)之間產(chǎn)生的溫差電勢(shì)來(lái)測(cè)量溫度，熱電偶法測(cè)量精度高，應(yīng)用廣泛。熱電阻法利用金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律來(lái)測(cè)量溫度，熱電阻法測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好。不同測(cè)量?jī)x器的原理與應(yīng)用紅外熱像儀利用物體自身輻射的紅外線來(lái)測(cè)量溫度，紅外熱像儀可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，適用于大范圍溫度測(cè)量。熱流計(jì)利用熱流計(jì)測(cè)量流過某一截面的熱流量，熱流計(jì)測(cè)量精度高，適用于局部熱流量測(cè)量。水管、換熱器等設(shè)備的熱設(shè)計(jì)熱損失計(jì)算需要考慮水管或換熱器的材料、尺寸、溫度差、環(huán)境溫度等因素，計(jì)算熱損失，保證設(shè)備的熱量傳遞效率。傳熱面積設(shè)計(jì)需要根據(jù)熱量傳遞需求，確定水管或換熱器的傳熱面積，以滿足傳熱要求。傳熱優(yōu)化設(shè)計(jì)的常用方法提高傳熱系數(shù)：采用高導(dǎo)熱系數(shù)材料、增大表面積、增加流動(dòng)速度等方法，提高傳熱系數(shù)，加快熱量傳遞速度。減少熱損失：采用絕熱材料、降低溫度差、改善管道布局等方法，減少熱損失，提高能量利用效率。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用新型傳熱結(jié)構(gòu)，例如翅片式換熱器、螺旋式換熱器等，提高傳熱效率。新型換熱材料與結(jié)構(gòu)納米材料納米材料具有高導(dǎo)熱系數(shù)、高比表面積等特性，可以顯著提高傳熱效率，例如納米流體。相變材料相變材料在相變過程中可以吸收或釋放大量的熱量，可以用于熱量?jī)?chǔ)存和釋放，例如蓄熱材料。自然對(duì)流換熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化表面形狀采用翅片式結(jié)構(gòu)、表面粗糙化處理等方法，增加表面積，增強(qiáng)自然對(duì)流，提高換熱效率。優(yōu)化流體布局合理設(shè)計(jì)流體通道，避免流動(dòng)死角，提高流體流動(dòng)速度，增強(qiáng)自然對(duì)流，提高換熱效率。強(qiáng)制對(duì)流換熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，保證流體流動(dòng)方向一致，避免流動(dòng)死角，提高流體流動(dòng)速度，增強(qiáng)強(qiáng)制對(duì)流，提高換熱效率。優(yōu)化風(fēng)機(jī)選型選擇合適的風(fēng)機(jī)，保證風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓，提高強(qiáng)制對(duì)流換熱效率。輻射換熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化表面輻射特性采用高輻射系數(shù)材料、增加表面積、提高表面溫度等方法，提高輻射換熱效率。優(yōu)化輻射角度合理設(shè)計(jì)輻射角度，最大化輻射熱交換，提高輻射換熱效率。相變換熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化沸騰傳熱采用表面粗糙化處理、增加表面積、提高液體流動(dòng)速度等方法，提高沸騰傳熱效率。優(yōu)化凝結(jié)傳熱采用表面光滑化處理、增加表面積、提高氣體流動(dòng)速度等方法，提高凝結(jié)傳熱效率。多種傳熱方式耦合的優(yōu)化綜合考慮同時(shí)考慮輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)等多種傳熱方式的相互影響，進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高整體傳熱效率。協(xié)同作用利用不同傳熱方式的協(xié)同作用，例如利用輻射傳熱提高對(duì)流傳熱效率，利用對(duì)流傳熱降低輻射傳熱效率等。熱管理在航天工程中的應(yīng)用熱防護(hù)航天器在進(jìn)入大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要進(jìn)行熱防護(hù)，以保證航天器安全返回地面。溫度控制航天器在太空中需要進(jìn)行溫度控制，以保證設(shè)備正常工作，常用的溫度控制方式有輻射散熱、液氮冷卻等。熱管理在電子設(shè)備中的應(yīng)用散熱設(shè)計(jì)電子設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，以保證設(shè)備正常工作和延長(zhǎng)使用壽命。熱量傳遞電子設(shè)備的熱量傳遞路徑主要有傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射，需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況選擇合適的散熱方式。熱管理在建筑節(jié)能中的應(yīng)用保溫隔熱利用保溫隔熱材料，減少建筑物的熱量損失，降低建筑能耗，提高舒適度。自然通風(fēng)利用自然風(fēng)力進(jìn)行通風(fēng)換氣，降低空調(diào)能耗，節(jié)約能源。熱管理在工業(yè)爐窯中的應(yīng)用熱量利用工業(yè)爐窯的熱量利用率較低，需要進(jìn)行熱量回收，降低能源消耗，減少環(huán)境污染。溫度控制工業(yè)爐窯的溫度控制精度較高，需要采用先進(jìn)的溫度控制系統(tǒng)，保證生產(chǎn)工藝要求。熱量回收技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用余熱利用利用工業(yè)生產(chǎn)過程中的余熱進(jìn)行熱量回收，例如利用廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電。熱能儲(chǔ)存利用蓄熱材料儲(chǔ)存熱量，例如利用相變材料儲(chǔ)存熱量。熱量回收技術(shù)在建筑中的應(yīng)用熱回收系統(tǒng)利用熱回收系統(tǒng)，回收建筑物排出的廢氣中的熱量，用于供暖或制冷，降低能耗。節(jié)能效果熱回收系統(tǒng)可以有效降低建筑物的能耗，提高建筑的節(jié)能效果。熱量回收技術(shù)在動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用能量回收利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的熱量進(jìn)行能量回收，例如采用渦輪增壓技術(shù)。效率提升能量回收可以提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率，降低燃料消耗。集中供熱系統(tǒng)的熱量管理熱量分配集中供熱系統(tǒng)需要根據(jù)不同用戶的需求進(jìn)行熱量分配，保證供暖質(zhì)量，提高能源利用效率。熱量計(jì)量集中供熱系統(tǒng)需要進(jìn)行熱量計(jì)量，方便用戶結(jié)算熱費(fèi)，提高能源管理效率。分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱管理熱電聯(lián)產(chǎn)分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)可以同時(shí)生產(chǎn)電力和熱能，提高能源利用效率，降低環(huán)境污染。熱量匹配分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)需要進(jìn)行熱量匹配，保證熱能供應(yīng)滿足需求。太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的熱管理熱量收集太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)需要進(jìn)行熱量收集，例如使用太陽(yáng)能集熱器。熱量?jī)?chǔ)存太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)需要進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存，例如使用蓄熱池。地?zé)崮芾孟到y(tǒng)的熱管理地?zé)崮芴崛〉責(zé)崮芾孟到y(tǒng)需要進(jìn)行地?zé)崮芴崛。缡褂玫責(zé)岜?。熱量分配地?zé)崮芾孟到y(tǒng)需要進(jìn)行熱量分配，例如使用地?zé)峁┡到y(tǒng)。先進(jìn)制冷技術(shù)的熱管理問題高效制冷先進(jìn)制冷技術(shù)需要提高制冷效率，降低能耗。低溫制冷先進(jìn)制冷技術(shù)需要解決低溫制冷的熱管理問題。近年來(lái)熱傳導(dǎo)研究的新進(jìn)展納米材料納米材料的應(yīng)用極大地提高了熱傳導(dǎo)效率，例如納米流體、石墨烯等。熱管理技術(shù)熱管理技術(shù)不斷發(fā)展，例如微納米尺度熱管理技術(shù)、熱電制冷技術(shù)等。近年來(lái)對(duì)流換熱研究的新進(jìn)展湍流模型對(duì)流換熱研究中，湍流模型的改進(jìn)提高了對(duì)流換熱的預(yù)測(cè)精度。數(shù)值模擬對(duì)流換熱的數(shù)值模擬技術(shù)不斷發(fā)展，例如大渦模擬、直接數(shù)值模擬等。近年來(lái)輻射傳熱研究的新進(jìn)展輻射系數(shù)測(cè)量輻射系數(shù)測(cè)量的精度不斷提高，為輻射傳熱的精確計(jì)算提供了保障。輻射模型輻射模型不斷改進(jìn)，例如蒙特卡羅方法、離散坐標(biāo)法等，提高了輻射傳熱的預(yù)測(cè)精度。熱傳遞綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向多目標(biāo)優(yōu)化